设施农业信息无线监测系统软件设计
就近几年来发展很快的设施农业而言，利用监测系统监控设施内的温度、湿度、光照、空气等元素，可以及时显示设施内的环境状况，让用户采取正确的措施。对保证作物的生长发育，提高作物的质量产量具有重要的意义。针对传统有线监测系统存在的线路复杂、实时性差、维护困难等缺陷。本课题针对设施农业的多项环境因子，选取了4项指标构建了设施农业信息无线监测系统。用传感器收集信息再将信息发送给接收机，接收机通过串口在计算机上显示出收集到的信息，能够准确的显示设施内的环境指标。做到了传统采集方式没法做到的高度自动化、数据高实时性和连续性以及信息的高可靠性。以设施内温度、湿度、光照度、空气为研究对象，应用ZigBee技术、无线传输技术、传感器技术等构建的无线监测系统远优于传统的监测系统。关键词 设施农业，环境因子，Zigbee，无线传输，光照传感器
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 国内外的研究现状 2
1.3 本次毕设研究内容 2
2 ZigBee技术 3
2.1 ZigBee技术的概念 3
2.2 ZigBee协议栈的分层 5
2.3 ZigBee模块CC2530 7
3 监测系统总体设计 8
3.1 设计要求 8
3.2 系统总体框图 9
4 硬件设计 10
5 软件设计 15
5.1 协调器节点软件设计 16
5.2 传感器软件设计 19
5.3 终端节点软件设计 22
6 系统调试 24
6.1 软硬件联调 24
6.2 串口调试 24
6.3 无线模块调试 26
6.4 实验结果 27
6.5 主要指标测试 28
6.6 测试结果分析 28
结论 29
致谢 30
参考文献 31
附录A 电路图 33
附录B PCB图 34
附录C 程序代码 35
1 绪论
1. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
1 课题背景及意义
几千年来，我们国家的农产业始终都是国民经济的基础[1]。我们国家的土地资源十分丰富，设施农业也随着农业的现代化应运而生。近几年来，我们国家的设施农业飞速发展[2]。因此，根据不同的作物来调节环境因素以提高作物的质量和产量就显得尤为重要。监测和调节环境因子就成为了发展设施农业的主要方向和目标。但是，目前的设施农业监测系统大都是有线监测的，而有线监测就会存在很多缺点。例如，安装困难，工作效率低，测量精度差，费用高，维护工作量大，系统升级困难。正因如此，开发和研制一种设施农业信息无线监测系统迫在眉睫。
无线传感器的构成模块被封装在壳内，它只需要很少的能源就能工作。无线传感器网络达成了采集、处理和传输数据的功能，它由无线传感器网络节点等多个模块通过自组织的形式构成[34]。监测中心直接处理通过无线传感器网络送到监控中心的无线网关的数据信号。有需要的话也可以传输时间历程信号。网关也可以将控制、参数设置等信息传输给节点。数据处理模块把数据经过放大，滤波处理后送到模数转换器，将电信号转变为数字信号，再送到主处理器处理传感器的采集到的信号。
在传感器网络系统中，一般会在传感器节点的周围设置汇聚节点和控制节点[56]。在传感器节点的设置范围内或传感器节点的监测区域附近，通过自己的组织构成网络。所有模块为低消费电力的设计，普通干电池就能使用好几年，延长了维护期。这样而言，传感器也能用微型振动发电机作为电源。这让传感器成了低功耗的产品。而且传感器有睡眠模式，免除了维护。传感器节点采集到的数据通过其他传感器节点传输，在这个过程中数据也许会被多个节点处理分析，然后数据会集中到某一个节点，最后网络间的通信会把数据传输到控制节点。使用者发布任务和收集信息能通过设置不同的控制节点和分配传感器网络来达成[7]。
无线传感器网络技术能很好的满足和实现设施农业的监测要求。将无线传感器网络技术引入到设施农业中来，设施农业会慢慢的从人力为中心转变为以信息和软件为中心。从而实现设施农业的自组织，自部署，自传输和智能控制，极大的提高设施农业的工作效率和设施农业农作物的产量，对实现设施农业的可持续发展具有重要意义[8]。
1. 2 国内外的研究现状
在国外，20世纪五十年代之后所有的设施农业都发展的特别快。可能是由于西方各国越来越意识到农业的重要性，出台了许多对农业生产有利的政策，所以设施农业才以一种不可阻挡的方式发展着[9]。目前，全世界设施农业面积达到了六十万公顷[10]。其中，荷兰拥有全世界最多，最先进的玻璃温室，并且荷兰研究出了先进的设施农业环境智能控制系统，能根据设施农业内的农作物对于环境的不同需求，由自动监测系统对温室内的环境变量，如温湿度，二氧化碳，光照强度等，进行全面的、高效的监测和调控[11]。由于日本是岛国，人多地少，所以对于农产业的生产效率有着很高的要求。日本的温室在世界上十分著名，其中最有名的是日本的塑料温室。日本塑料温室先进的配套设施和综合环境调控技术领先于全世界。尤其是近些年来，日本又在设施农业方面取得了令人瞩目的成果。总而言之，国外一些国家的设施农业已经具备了成熟的技术、完善的设施设备、规范的生产、稳定的产量、作物高质量的特点，并且向着高层次的自动化和智能化方向发展。
和国外一些国家相比，我们国家的设施农业起步晚、基础比较差，但是我们国家的农业发展历史悠久，到今天已经形成多种类型，其结构由简到繁，功能从单一功能到多种功能，管理由粗放到集约。目前我们国家的设施农业主要分为三种：1、连栋温室；2、日光温室；3、塑料温室。其中最多最常见的是日光温室，其面积超过总温室的三分之二[12]。近几年来，我们国家的设施农业研究也取得了长足的进步，在各个方面都有了很大发展，例如在无土栽培、保护地种植、节水育苗等方面[13]。有些研究成果已在生产中得到广泛应用和推广。由此可见，我们国家设施农业的总体水平有了明显的提高。随着设施农业的快速发展，温室内种植作物的水平有了大幅提高，各种作物的栽培受到重视，农作物的产量和质量不断上升，整个行业欣欣向荣。但是仍与国外一些国家存在一定的差距。
1. 3 本次毕设研究内容
本次毕设旨在构建一套设施农业信息无线监测系统，实现对设施农业的监测和管理。对设施农业信息的监测包括对温度、湿度、光照度、空气等参数的监测。由于对农作物生长有影响空气成分很多不可能全部作为监测参数。再考虑到资金的问题，本次毕设选用温度、湿度、大气压强、光照度作为设施农业信息监测的五个参数。本次设计我们结合了三种技术:Zigbee技术、WSN技术和互联网技术，构建了一套农业信息的无线监测系统。我需要完成的工作主要包括三个方面：1.设计环境数据采集终端节点软件；2.设计键盘及数据显示软件；3.设计无线数据收发程序和串口通信软件。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 国内外的研究现状 2
1.3 本次毕设研究内容 2
2 ZigBee技术 3
2.1 ZigBee技术的概念 3
2.2 ZigBee协议栈的分层 5
2.3 ZigBee模块CC2530 7
3 监测系统总体设计 8
3.1 设计要求 8
3.2 系统总体框图 9
4 硬件设计 10
5 软件设计 15
5.1 协调器节点软件设计 16
5.2 传感器软件设计 19
5.3 终端节点软件设计 22
6 系统调试 24
6.1 软硬件联调 24
6.2 串口调试 24
6.3 无线模块调试 26
6.4 实验结果 27
6.5 主要指标测试 28
6.6 测试结果分析 28
结论 29
致谢 30
参考文献 31
附录A 电路图 33
附录B PCB图 34
附录C 程序代码 35
1 绪论
1. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
1 课题背景及意义
几千年来，我们国家的农产业始终都是国民经济的基础[1]。我们国家的土地资源十分丰富，设施农业也随着农业的现代化应运而生。近几年来，我们国家的设施农业飞速发展[2]。因此，根据不同的作物来调节环境因素以提高作物的质量和产量就显得尤为重要。监测和调节环境因子就成为了发展设施农业的主要方向和目标。但是，目前的设施农业监测系统大都是有线监测的，而有线监测就会存在很多缺点。例如，安装困难，工作效率低，测量精度差，费用高，维护工作量大，系统升级困难。正因如此，开发和研制一种设施农业信息无线监测系统迫在眉睫。
无线传感器的构成模块被封装在壳内，它只需要很少的能源就能工作。无线传感器网络达成了采集、处理和传输数据的功能，它由无线传感器网络节点等多个模块通过自组织的形式构成[34]。监测中心直接处理通过无线传感器网络送到监控中心的无线网关的数据信号。有需要的话也可以传输时间历程信号。网关也可以将控制、参数设置等信息传输给节点。数据处理模块把数据经过放大，滤波处理后送到模数转换器，将电信号转变为数字信号，再送到主处理器处理传感器的采集到的信号。
在传感器网络系统中，一般会在传感器节点的周围设置汇聚节点和控制节点[56]。在传感器节点的设置范围内或传感器节点的监测区域附近，通过自己的组织构成网络。所有模块为低消费电力的设计，普通干电池就能使用好几年，延长了维护期。这样而言，传感器也能用微型振动发电机作为电源。这让传感器成了低功耗的产品。而且传感器有睡眠模式，免除了维护。传感器节点采集到的数据通过其他传感器节点传输，在这个过程中数据也许会被多个节点处理分析，然后数据会集中到某一个节点，最后网络间的通信会把数据传输到控制节点。使用者发布任务和收集信息能通过设置不同的控制节点和分配传感器网络来达成[7]。
无线传感器网络技术能很好的满足和实现设施农业的监测要求。将无线传感器网络技术引入到设施农业中来，设施农业会慢慢的从人力为中心转变为以信息和软件为中心。从而实现设施农业的自组织，自部署，自传输和智能控制，极大的提高设施农业的工作效率和设施农业农作物的产量，对实现设施农业的可持续发展具有重要意义[8]。
1. 2 国内外的研究现状
在国外，20世纪五十年代之后所有的设施农业都发展的特别快。可能是由于西方各国越来越意识到农业的重要性，出台了许多对农业生产有利的政策，所以设施农业才以一种不可阻挡的方式发展着[9]。目前，全世界设施农业面积达到了六十万公顷[10]。其中，荷兰拥有全世界最多，最先进的玻璃温室，并且荷兰研究出了先进的设施农业环境智能控制系统，能根据设施农业内的农作物对于环境的不同需求，由自动监测系统对温室内的环境变量，如温湿度，二氧化碳，光照强度等，进行全面的、高效的监测和调控[11]。由于日本是岛国，人多地少，所以对于农产业的生产效率有着很高的要求。日本的温室在世界上十分著名，其中最有名的是日本的塑料温室。日本塑料温室先进的配套设施和综合环境调控技术领先于全世界。尤其是近些年来，日本又在设施农业方面取得了令人瞩目的成果。总而言之，国外一些国家的设施农业已经具备了成熟的技术、完善的设施设备、规范的生产、稳定的产量、作物高质量的特点，并且向着高层次的自动化和智能化方向发展。
和国外一些国家相比，我们国家的设施农业起步晚、基础比较差，但是我们国家的农业发展历史悠久，到今天已经形成多种类型，其结构由简到繁，功能从单一功能到多种功能，管理由粗放到集约。目前我们国家的设施农业主要分为三种：1、连栋温室；2、日光温室；3、塑料温室。其中最多最常见的是日光温室，其面积超过总温室的三分之二[12]。近几年来，我们国家的设施农业研究也取得了长足的进步，在各个方面都有了很大发展，例如在无土栽培、保护地种植、节水育苗等方面[13]。有些研究成果已在生产中得到广泛应用和推广。由此可见，我们国家设施农业的总体水平有了明显的提高。随着设施农业的快速发展，温室内种植作物的水平有了大幅提高，各种作物的栽培受到重视，农作物的产量和质量不断上升，整个行业欣欣向荣。但是仍与国外一些国家存在一定的差距。
1. 3 本次毕设研究内容
本次毕设旨在构建一套设施农业信息无线监测系统，实现对设施农业的监测和管理。对设施农业信息的监测包括对温度、湿度、光照度、空气等参数的监测。由于对农作物生长有影响空气成分很多不可能全部作为监测参数。再考虑到资金的问题，本次毕设选用温度、湿度、大气压强、光照度作为设施农业信息监测的五个参数。本次设计我们结合了三种技术:Zigbee技术、WSN技术和互联网技术，构建了一套农业信息的无线监测系统。我需要完成的工作主要包括三个方面：1.设计环境数据采集终端节点软件；2.设计键盘及数据显示软件；3.设计无线数据收发程序和串口通信软件。
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